空時編碼

空時編碼( STC)技術是通過利用陣列天線處理技術從而開發多輸入多輸出系統( MIMO)性能的革命性發展 , 它可以有效抵消衰落, 提高頻譜效率.

基本介紹

• 中文名：空時編碼
• 外文名：space-time coding

當前空時編碼( STC) 技術在無線通信領域引起了廣泛關注,空時編碼的概念是基於 Winters 在 20 世紀 80年代中期所做的關於天線分集對於無線通信容量的重要性的開創性工作 . 90 年代 Stanford 的 Raleigh 和Cioffi ,瑞士 ASCOM 的 Wittneben 進一步奠定了空時碼的基礎 ; 最近幾年來 , Lucent Labs 的 Foschini 和 Gan ,AT& T 的 Tarokh 及其同事們在這方面作了關鍵性工作 ,率先提出了空時編碼的概念. 空時編碼的有效工作需要在發射和接收端使用多個天線 ,因為空時編碼同時利用時間和空間兩維來構造碼字 ,這樣才能有效抵消衰落, 提高功率效率 ; 並且能夠在傳輸信道中實現並行的多路傳送 ,提高頻譜效率. 需要說明的是 ,空時編碼技術因為屬於分集的範疇 ,所以要求在多散射體的多徑情況下套用 ,天線間距應適當拉開以保證發射、接收信號的相互獨立性, 以充分利用多散射體所造成的多徑 .

空時編碼技術及其分類

空時編碼在不同天線所傳送的信號中引入時間和空間的相關性, 從而不用犧牲頻寬就可以為接收端提供不編碼系統所沒有的分集增益和編碼增益 . 空時編碼的基本工作原理如下: 從信源給出的信息數據流 ,到達空時編碼器後 ,形成同時從許多個發射天線上發射出去的矢量輸出, 稱這些調製符號為空時符號( STS) 或者空時矢量符( STVS). 與通常用一個複數表示調製符號類似( 復的基帶表示), 一個空時矢量符 STVS可以表示成為一個複數的矢量, 矢量中 數的個數等於發射天線的個數 .

目前提出的空時編碼方式主要有:⑴正交空時分組碼 OSTBC( Orthogonal SpaceTime Block Coding);⑵貝爾分層空時結構 BLAST( Bell Layered Space-Time Architecture);⑶空時格型編碼 STTC( Space-Time Trellis Coding);這 3 類接收機需要已知信道傳輸係數的空時編碼,另外還有適於少數不知道信道傳輸係數情況的有效期分空時編碼.

正交空時分組編碼( OSTBC)

1 空時分組碼

正交空時分組編碼( OSTBC) 的原理框圖如圖 2 所示. 正交空時分組編碼( OSTBC) 包括兩大類: ⑴空時發射分集( STTD),最初上 Alamouti 於 1998 年以兩個發射天線的簡單發射分集技術為例提出,其基本思想類似於接收分集中的最大比接收合併 MRRC ; 然後經 V . Tarokh 等人於 1999 年利用正交化設計思想推廣到多天線情況,稱為空時分組編碼. 數據經過空時編碼後,編碼數據分為多個支路數據流 ,分別經過多個發射天線同時發射出去; 接收端的最大似然解碼可以通過把不同天線發射的數據解偶來得到更簡單的實現形式, 利用的是空時碼字矩陣的正交性從而得到基於線性處理的最大似然解碼算法 . ⑵正交發射分集( OTD), 由Motorola 做為 cdma2000 3G CDMA 的標準提出 . 這兩種方法都具有不擴展信號頻寬的優點 ,即可以不同犧牲頻譜效率 ; 並且解碼可以由線性運算按照最大似然算法給出 , 優於標準的 Viterbi 解碼, 接收機可以比較簡單,但是它們也不能夠提供編碼增益. 其中關鍵部分“分組映射器”和“分組解旋轉器”的基本原理在下節中詳細介紹 .

2 空時分組碼的構造問題
通常 ,如果在 p 個時隙周期內 ,有 k 個符號被傳送出去 ,則定義編碼比率為 R =k/ p . 對兩個天線的覆信號的情況 ,共編碼比率為 1 .這裡的編碼矩陣的行代表發射天線的空間維 ,列代表時間維的各個發射時隙或符號周期 . 空時分組編碼的構造問題其實就是碼字矩陣的正交性設計 ,各陣元所發射的信號在一幀內互相正交, 即碼字矩陣的行正交. 類似地 ,從空時正交性這個基本關鍵點出發, 也可以設計出其他多個發射天線的空時分組碼,它們所提供的分集增僧和通常的發射天線個數乘以接收天線個數的接收最大比合併具有相同的信噪比, 即具有相同的分集增益.

3 解碼算法
對任何空時分組碼,用最大似然解碼算法都可以在接收機處通過線性處理來實現 , 這就意味著, 接收機的結構可以很簡單, 而這一點在實際套用中對移動用戶的接收機設計很在意義 .

類似地,其他空時分組碼的解碼器同樣可以推導得出, 對各個符號的檢測判斷可以相互獨立地通過線性運算得出 ,其實上面的最大似然檢測是一種相干檢測方法, 這種相干檢測方案可以使空時編碼的解碼性能獲得所能達到的最佳性能.

分層空時結構 BLAST

分層空時結構最初由朗訊公司的貝爾實驗室的 G . J . Foschini 於 1996 年提出,稱為 BLAST( Bell Layered Space-Time Architecture),並於 1998 年研製出了實驗系統 V-BLAST , 申請了專利. 它需要在發射端和接收端使用多個天線( 接收端天線數目不少於發射端天線數目),並且在解碼時需要知道精確的信道信息,主要適合於不需要進行有線連線的室內固定不動的辦公環境和郊區等地區的固定無線接入 .高速信息流先被解復用地分成多個單獨的低速數據支流 ; 各個支路數據分別用各自的信道編碼器編碼,這些編碼器可以是二進制卷積編碼也可以根本就不編碼 ; 各個信道編碼器的輸出再經過分層空時結構編碼和調製後送至各個獨立的發射天線,並且使用同一個載波頻率/符號波形( 對 TDMA) 同時發射出去, 對 CDMA 系統,使用同樣的擴頻碼.

由各個信道編碼器的輸出的信號有 3 種分層空時結構編碼方案 : 對角分層空時結構 DLST 、垂直分層空時結構VLST 和水平分層空時結構 HLST ,其中 DLST 具有較好的空時特性及層次結構 ,使用較多. 它們的數據分配如表 1 所示,標識符號 a 到 d 表示分配到圖表中的 4 個發射天線的數據 .

在 接收端 ,一般按照對角線數據流層進行解碼 , 這要經過3個步驟的處理: 干擾信號及未檢測信號的迫零( ZF) 消除、已檢測信號的干擾消除和補償 . 前端首先使用一個空間波束形成或者迫零處理 ,從而分開各個單獨的數據流層 . 例如對 DLST 的數據流層 a 的求解, 是求解 t + 3 時刻的流層 a 的相應元素 ,這時利用干擾抑制方法抑制掉 t + 3 時刻該元素上面的數據流層 d , c , b 的相應元素的影響 ,得到該元素的估值; 然後是求解t + 2 時刻的流層 a 的相應元素 ,同樣該元素上面的數據流層 d , c 的相應元素的影響可以利用干擾抑制方法抑制掉 ,而其下方數據流層 b 在 t + 2 時刻的相應元素則因為按照對角分層的次序解碼所以應該已經得到,其影響可以通過判決反饋得到抵消; 於是,可以得到t + 2 時刻的數據流層 a 的相應元素; 如此進行下去, 就可以恢復出數據流層 a . 然後再用相同的方法恢復出數據流層 d , 如此得到 DLST 的數據層估值 ,再把它們送入各自的解碼器, 各解碼器的輸出再經過分層空時結構的逆變換和復用後重構出原始信息比特流的估計 .

業已證明,對 N 個發射天線和 N 個接收天線的情況, 系統容量隨線性增長 ,當採用的天線個數N =8 時,在 1 %的中斷機率和21dB信噪比條件下的系統的頻譜利用率為42b/( s·Hz- 1) 約為相同發射功率和頻寬的單發單收系統的 40 倍.

空時格型編碼( STTC)

空時格型編碼 STTC 編解碼的基本原理: TCM 編碼器的基本結構在多數情況下可以看作一個有限狀態的狀態轉移器, 最新的信息源比特流數據用來確定編碼器的從當前狀態到下一個狀態的狀態轉移,狀態轉移的結果就是要從多個發射天線上同時發射出去的一個空時矢量符 STS . STS 的組成符號從原理上可以選擇任何星座圖, 如 QPSK , 8-PSK , 16QAM 等.

空時格型編碼 STTC( Space-Time Trellis Coding) 最初由 V .Tarokh 等人提出,它是由 Ungerboeck 提出的格型編碼調製 TCM(Trellis Coded Modulation) 的推廣. 一個空時格型碼的例子, 它是兩天線的 8-PSK 的 8 態的空時編碼 ,可以看到它與 TCM 編碼很相像, 只不過每一個狀態轉移結果的空時矢量符 STS ,代表同一時刻分別從兩個天線發射出去的符號.

空時編碼可以根據編碼增益和分集增僧準則設計出來, 只是好碼字的搜尋設計非常麻煩, V . Tarokh 給出的幾種空時碼都呆以達到滿分集增益( 滿分集增益等於發射天線數乘接收天線數) , 但它們的編碼增佃沒有達到最大 ,其他學者也提出了一些新的空時格型編碼 . 空時格型編碼的設計其實是在接收端已知信道信息條件下最大化任意兩個碼字矩陣之間的歐氏距離,可以實現數據傳輸速率、分集增益和格型複雜度及解碼複雜度的最佳折中, 所以在 3 種空時編碼方案中 ,它的性能是最佳的 ,但是目前因為其解碼複雜度而影響了它的套用, 空時分組編碼就是基於此考慮所提出的 ,目前以其較低的編 、解碼複雜度得到了廣泛認同 .

差分空時編碼

推導空時編碼的構造準則和在接收端進行解碼時都需要知道較為準確的信道信息 CSI, 這晨多數情況下是可行的; 但是,在快衰落或者發射、接收天線數目較多時等少數情況下, 就可能得不到精確的信道估計,這就需要研究發射端和接收端都不需要信道衰落係數的空時編碼. 受常規的單發單收無線通信系統中的差分調製技術的啟示, 人們試圖將差分調製方法推廣到多發射天線的情況. Hochwald 和 Marzetta 提出了酉空時編碼( Unitary Space-Time Codes) , 最優酉守時碼的設計是最小化任意兩個碼字矩陣之間的相關係數 ,但是它們的指靈敏級的編碼、解碼複雜度,使得其更像一種理論上的最優編碼. 隨後 ,Hochwald 等人又提出了具有多項式編碼複雜度和指數級解碼複雜度的第二種結構,這同樣在實際環境中難以使用 . 幾乎與此同時, V .Tarokh 等人提出了針對兩個發射天線的基於正交設計和空時分組編碼的真正的差分編碼方案,該方案是第一個具有簡單的編 、解碼複雜度的差分編碼方案 ,隨後 Jafarkhan 和 Tarokh 又將該差分方案利用廣義正交化設計方法推廣到多個發射天線的情況. 其他學者也提出了一些其他形式的算法, 但是其解碼複雜度均要大大超過差差分檢測方案的只是天線數目和數據傳輸速率的線性關係的解碼複雜度, 所以目前差分檢測方案應該是適合實際套用的未知信道信息的發射分集方案 . 需要指出的是 ,這種差分空時編碼的性能也要比空時分組編碼的相干檢測性能要有3dB的損失, 這也算是對無需信道估計所付出的代價 .

套用前景

眾所周知, 第三代 3G 及一代無線通訊系統的主要目的之一就是為移動和靜止用戶提供寬頻接入 ,實時的多媒體業務如視頻會議所要求的數據速率將會是現在無線技術所能提供速率的兩到三倍以上, 速率可能要求高達2Mb/s以上 . 而很明顯 ,使用多個發射或接收天線可以取得更高的頻譜效率. 這樣在多徑衰落無線信道中使用多個發射天線結合空時編碼技術就很有可能提供功耗和頻譜效率的最佳折中. 而事實上也的確如此, 空時編碼技術和多個發射天線的信號處理技術最近已經被第三代蜂窩移動通訊標準如 CDMA2000 和W-CDMA所採納 ,另外 ,也被建議套用到無線地環路及廣域分級接入中去. 具體地說,空時編碼技術可以結合當前的窄帶 TDMA 蜂窩移動通訊系統 ,使系統的傳輸速率得到大大提高 ; 它也可以通過抑制干擾大大提高無線通訊系統的容量或吞吐量 ; 另外,它還可以結合OFDM 等通訊技術用於寬頻無線通訊系統 . 所以 ,空時編碼技術在未來的無線通訊系統中包括寬頻固定無線接入FWA 、無線區域網路 LAN 甚至蜂窩移動通信系統中也有著廣闊的套用前景 .

研究現狀及發展方向

作為一種新的通信信號處理技術和方法 ,自從空時編碼提出以來 ,全球無線通信領域內掀起了研究空時編碼的熱潮,除了對如何構造空時編碼和空時編碼與其他信道編碼方式如 Turbo 碼相結合方面的研究外,許多和工程套用緊密聯繫的研究方向正在形式 .

當前雖然關於空時編碼的構造和套用有了一些成果, 但是這些理論大多假設信道是準靜態、平衰落的,各衰落路徑也是假設是相互獨立的 ,而實際信道為頻率選擇性衰落、快變化以至各衰落路徑有可能相關 ,所以為了推動空時編碼技術的實用性 ,有必要對空時編碼在信道為頻率選擇性衰落 、快變化以至各衰落路徑相關的情況下的性能以及相應的改進措施進行理論和實踐研究. 同時, 如何將空時編碼和第三代移動通訊的標準相結合, 研究在CDMA ,WCDMA 環境下空時編碼技術的性能以及和其他技術如多用戶檢測技術的結合目前也吸引了不少的研究人員進行研究,如空時編碼和OFDM 等通訊技術的結合, 使其適用於寬頻無線通訊系統.

另外 ,如何將空時編碼和陣列信號處理技術如波束形成技術( Beamforming)和干擾抵消技術( Interference Cancellation) 有機地結合起來,充分發揮二者的優點, 進一步提高其性能 , 提高它的實用性 ,是當前研究的另一個熱點和方向; 由於二者均是多個陣元天線系統的重要而有效的信號處理技術 ,所以它們的結合套用就具有的套用基礎 ,最先提出和研究空時編碼技術的研究人員也正在進行這方面的研究和探索工作,但是此項工作剛剛開始, 具有很大的理論和實際研究價值. 當然 ,有關在接收端和發射端均得不到信道信息的差分空時編碼方面的研究對於空時編碼在未來移動蜂窩系統中的套用也是很有意義的 .